Kutatók egy új katalizátor kifejlesztésével jelentős áttörést értek el az üvegházhatású gázok hasznosításában. Az Oak Ridge Nemzeti Laboratórium (ORNL) által vezetett csapat olyan megoldást talált, amely két káros gázt értékes alapanyaggá alakít át. A felfedezés forradalmasíthatja az energiaipart és a vegyipart, miközben a környezetvédelemben is jelentős előrelépést jelent. 

Egy kémiai reakció két szennyező üvegházhatású gázt alakíthat át a tisztább üzemanyagok és alapanyagok értékes építőelemeivé, de a reakcióhoz szükséges magas hőmérséklet a katalizátort is hatástalanítja. Az amerikai Energiaügyi Minisztérium Oak Ridge Nemzeti Laboratóriuma által vezetett csoport azonban megtalálta e hatástalanítás kiküszöbölésének módját. A csoport továbbfejlesztette a metán száraz reformálásának nevezett reakciót, amely metánt és szén-dioxidot alakít át szingázzá, hidrogén és szén-monoxid értékes keverékévé, amelyet az olaj- és vegyipari vállalatok világszerte használnak. Felipe Polo-Garzon, az ORNL munkatársa kollégájával, Junyan Zhanggal közösen vezette a Nature Communications című folyóiratban megjelent tanulmányt.  

A szingáz előállítását felgyorsító katalizátor javítása óriási hatással lehet a globális energiabiztonságra, a tisztább üzemanyagokra és a vegyi alapanyagokra.  

A kőolajkészletekkel nem rendelkező országokban a szénből vagy földgázból nyert szingáz kritikus fontosságú a dízel- és benzinüzemanyagok előállításához. A szingáz összetevői emellett más alapanyagként használt vegyi anyagok előállítására is felhasználhatók. A hidrogén például tiszta üzemanyagként vagy az ammónia alapanyagaként használható műtrágya előállítására. A metanol, a szingázból előállítható alkohol, a műanyagok, szintetikus szövetek és gyógyszerek előállításához szükséges összetevők forrása is, de a hidrogénnek szintén jó hordozója, amelyet önmagában nehéz nyomás alá helyezni és rizikós szállítani, de metanol formájában biztonságosan szállítható és a célállomáson hidrogénné alakítható. 

Polo-Garzon kifejtette, hogy „a probléma évtizedek óta az, hogy a reakció végrehajtásához szükséges katalizátorok a reakció körülményei között gyorsan deaktiválódnak, így ez a reakció ipari méretekben nem életképes.” A reaktánsok jelentős átalakításához a reakciót 650 Celsius-foknál magasabb hőmérsékleten kell végrehajtani, azonban ezen a magas hőmérsékleten a katalizátorok két deaktiválódási folyamaton mennek keresztül. „Az egyik jelenség a szintereződés, amely során elveszítjük a reakciót végrehajtó felületi aktív helyeket. A másik pedig a kokszképződés, ami lényegében szilárd szén lerakódása, amely megakadályozza, hogy a katalizátor kapcsolatba léphessen a reaktánsokkal.” 

A katalizátorok alapvetően nagy felületet biztosítsanak a kémiai reakciók számára. A nikkel fématomjai például képesek ideiglenesen megkötni a reaktánsokat (vagyis a kémiai reakcióban részt vevő komponenseket), ezáltal a kémiai kötések könnyebben bonthatók fel és alakíthatók ki. A szinterezés következtében a nikkelrészecskék összecsomósodnak, ami csökkenti a reakciókhoz elérhető felületet. Ugyanígy a kokszképződés is gátolja a katalizátor működését – fejtette ki Polo Garzon. 

Ma a legtöbb kereskedelmi forgalomban kapható szingázt a metán gőzzel történő reformálásával állítják elő, amely folyamat nagy mennyiségű vizet és hőt igényel, és szén-dioxidot is termel. Ezzel szemben a metán száraz reformálása nem igényel vizet, és valójában szén-dioxidot és metánt fogyaszt. A tudósok a katalizátor szintézise során a fém aktív helyei és a hordozó közötti kölcsönhatások beállításával elnyomták a kokszképződést és a fém szinteresedését. Az új katalizátor kiemelkedő teljesítményt nyújt a metán száraz reformálásához rendkívül lassú deaktiváció mellett.  

Az új katalizátor egy zeolitnak nevezett kristályos anyagból áll, amely szilíciumot, alumíniumot, oxigént és nikkelt tartalmaz, vázszerkezete pedig stabilizálja a fémaktív helyeket. Zhang elmondása szerint a zeolit összetétele megegyezik a homokéval, azonban azzal ellentétben szivacsos szerkezetű, azaz apró pórusokkal van tele, amelyek mindegyike körülbelül 0,6 nanométer átmérőjű. (Az emberi hajszál vastagsága kb. 80.000 nanométer.) Ha teljesen fel tudnánk nyitni egy zeolitot, hogy feltárjuk a felületét, 1 gramm minta körülbelül 500 négyzetméternyi területet tartalmazna, ami óriási mennyiségű szabad felületet jelent. 

Többen is keresik a megoldást 

A világ az üvegházhatású gázok kibocsátásának csökkentéséért küzd, ezzel együtt a kutatók is a gyakorlatban alkalmazható és gazdaságos módszereket keresnek a szén-dioxid megkötésére és hasznos termékekké alakítására.  

Az MIT mérnökei szintén kísérleteznek: egyik legjelentősebb kihívásuk az volt, hogy a kifejlesztett módszer gazdaságilag is kivitelezhető legyen. Az új tanulmányban a kutatócsoport a CO₂ etilénné történő elektrokémiai átalakítására összpontosított, amely egy széles körben használt vegyi anyag, és amelyből számos műanyagot és üzemanyagot is elő lehet állítani – ezt ma kőolajból állítják elő. Az általuk kifejlesztett módszer azonban a kutatók szerint nemcsak etilén, hanem más nagy értékű vegyi anyagok, például metán, metanol, szén-monoxid és egyéb végtermékek előállítására is alkalmas lehet. Jelenleg az etilén piaci ára tonnánként körülbelül ezer dollár, így a kutatás célja egy olyan megoldás kidolgozása, amely képes lenne ezt az árat elérni. 

Ezek az innovációk gyakorlatilag két legyet ütnek egy csapásra: új utakat nyithatnak meg a tisztább üzemanyagok és vegyianyagok előállítása felé, miközben hozzájárulnak az üvegházhatású gázok hasznosításához. 

Kapcsolódó: